第3章 膜分离

1、膜膜 分分 离离（Membrane Separation）2.1 发展简史发展简史2.2 膜分离技术原理膜分离技术原理2.3 膜的分类膜的分类2.4 膜过程的分类及特征膜过程的分类及特征概述概述近近2020年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工程、食品、医药、化工等工业生产及水处物工程、食品、医药、化工等工业生产及水处理等各个领域；膜分离技术是用半透膜作为选理等各个领域；膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。其它组分，从而达到分离目的的技术。膜分离技术它具

2、有设备简单、操作方便、无相膜分离技术它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节省能量等优变、无化学变化、处理效率高和节省能量等优点，已作为一种单元操作日益受到人们极大重点，已作为一种单元操作日益受到人们极大重视。视。膜分离的特点膜分离的特点操作在常温下进行；操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）；在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作。设备易放大，可以分批或连续操作。因而在生物产品

3、的处理中占有重要地位。因而在生物产品的处理中占有重要地位。2.1 膜技术发展简史膜技术发展简史18世纪初，人们就已经注意到了膜分离现象；世纪初，人们就已经注意到了膜分离现象； 19世纪末世纪末20世纪初，细致深入地了解了渗透现世纪初，细致深入地了解了渗透现象；象； 20世纪世纪50年代，年代，Juda成功试制了高选择透过成功试制了高选择透过性阴阳离子交换膜，使得电渗析性阴阳离子交换膜，使得电渗析(ED)进入实用；进入实用；微滤也进入工业化阶段；微滤也进入工业化阶段；1958年起，加利福尼亚大学年起，加利福尼亚大学Loeb和和Sourirajan等在对膜材料进行筛选的基础等在对膜材料进行筛选的基

4、础上，通过对致孔剂的选择和膜的热处理，上，通过对致孔剂的选择和膜的热处理，于于1960年首次制成具有盐截留率高、水渗年首次制成具有盐截留率高、水渗透通量大的非对称醋酸纤维素膜，后来被透通量大的非对称醋酸纤维素膜，后来被称为称为L-S膜。膜。L-S膜的研制成功，促进了膜膜的研制成功，促进了膜技术的迅速发展。技术的迅速发展。70年代，在年代，在Amicon，Du Pont，Monsanto等公司的参与下，醋酸纤维素、三醋酸纤维素、等公司的参与下，醋酸纤维素、三醋酸纤维素、改性尼龙、聚酰胺等相继实现了系列化和规格改性尼龙、聚酰胺等相继实现了系列化和规格化，与此同时，膜的形式也从平板膜发展到管化，与此

5、同时，膜的形式也从平板膜发展到管式及中空纤维膜，各种类型的组件及装置研制式及中空纤维膜，各种类型的组件及装置研制成功，使该技术从实验室转向工业应用的新阶成功，使该技术从实验室转向工业应用的新阶段。段。 1980年代，气体分离；年代，气体分离； 1990年代，渗透蒸发；超低压反渗透膜得以年代，渗透蒸发；超低压反渗透膜得以研制成功。研制成功。 膜分离技术特点使其受到广泛重膜分离技术特点使其受到广泛重视，发展迅速。视，发展迅速。 21世纪将是膜技术全面发展的阶段，对工业世纪将是膜技术全面发展的阶段，对工业技术的改造将起到深远的影响。技术的改造将起到深远的影响。膜过程的分类微微 滤滤超超 滤滤纳纳 滤

6、滤反反 渗渗 透透渗渗 析析电电 渗渗 析析气气 体体 分分 离离渗渗 透透 气气 化化液液 膜膜 膜分离过程可以认为是一种物质被透过或被截留于膜膜分离过程可以认为是一种物质被透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径的大小而达到物的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径的大小而达到物质分离的目的，故可按分离粒子或分子的大小予以分类。质分离的目的，故可按分离粒子或分子的大小予以分类。常见膜分离过程常见膜分离过程微滤（微滤（Microfiltration，MF）超滤（超滤（Ultrafiltration，UF）反渗透（反渗透（Reverse osmosis，RO）透析（透析（Dialysi

7、s，DS）电渗析（电渗析（Electrodialysis，ED）渗透气化（渗透气化（Pervaporation，PVAP）气体分离（气体分离（Gas separation)膜分离类型与被分离物质大小的关系膜分离类型与被分离物质大小的关系膜过程的分类特性膜过程的分类特性微微 滤滤进料滤液原理：是在静压差推动力作用下进行的筛孔原理：是在静压差推动力作用下进行的筛孔分离过程分离过程透过组分：溶液、气体透过组分：溶液、气体截留组分：截留组分：0.0210m传递机理：筛分传递机理：筛分膜类型：多孔膜膜类型：多孔膜推动力：压力差推动力：压力差 ， 约为约为100kPa微滤的截留机理微微 滤滤 的截留机理大

8、体可以分为以下几种：的截留机理大体可以分为以下几种：1 1、机械截留、机械截留2 2、物理作用或吸附截留、物理作用或吸附截留3 3、架桥截留、架桥截留123超 滤原理：在静压差推动力作用下进行的筛孔分离过程原理：在静压差推动力作用下进行的筛孔分离过程透过组分：小分子溶液透过组分：小分子溶液截留组分：截留组分：1-20nm1-20nm传递机理：筛分传递机理：筛分膜类型：非对称膜膜类型：非对称膜推动力：压力差推动力：压力差 100-1000kPa100-1000kPa进料滤液浓缩液超滤膜的特点超滤膜的特点 分离过程在常温和较低压力的条件下进行，分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能耗低，不需加热

9、，不需加药即可达到分离、能耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、分离、纯化分级的目的。超滤装配结构浓缩、分离、纯化分级的目的。超滤装配结构简单，占地面积小，附属设备少，易于扩容和简单，占地面积小，附属设备少，易于扩容和增加组件。超滤装置操作简单，启动快，易于增加组件。超滤装置操作简单，启动快，易于维护，容易控制。维护，容易控制。超超 滤滤纳纳 滤滤 纳滤纳滤 ( NF ) 膜早期称为松散反渗透膜早期称为松散反渗透 ( Loose RO ) 膜。纳滤膜介于反渗透与超滤膜之间，它恰好膜。纳滤膜介于反渗透与超滤膜之间，它恰好填补了超滤与反渗透之间的空白，它能截留透过超滤填补了超滤与反渗透之间的

10、空白，它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物，透过被反渗透膜所截膜的那部分小分子量的有机物，透过被反渗透膜所截留的无机盐。纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电留的无机盐。纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷性。这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截荷性。这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。 纳 滤原理：在静压力差推动原理：在静压力差推动力作用下进行的分离过力作用下进行的分离过程程透过组分：溶液、低价小透过组分：溶液、低价小 分子溶质分子溶质截留组分：截留组分：1nm传递机理：溶解扩散传递机理：溶解扩

11、散膜类型：非对称膜膜类型：非对称膜推动力：压力差推动力：压力差 500-1500kPa进料溶剂低价离子高价离子溶质反 渗 透H淡水盐水H淡水盐水Pab渗透与反渗透示意图膜的迁移方程 )()(0pEXPAAAApAJWW温度恒定时，常数；压力恒定时，大小与条件有关下，渗透通量在没有溶质透过的情况23123()AMSSDJB CCCKCCC溶质通量 溶剂在膜的料液侧的主体溶液中的浓度；溶剂在膜的料液侧的膜表面的浓度；溶剂在渗透产物中的浓度。反 渗 透原理：在静压差推动力作用下进行的分离过程透过组分：溶剂截留组分：110小分 子溶质传递机理：溶解-扩散膜类型：非对称膜推动力：压力差 10001000

12、0kPa进料溶剂溶质渗 析原理:在浓度差推动力作用下进行的筛孔扩散分离过程透过组分:小分子溶质或较小的溶质截留组分:0.02 m 血液渗析中0.005 m传质机理:筛分微孔膜内的受阻扩散膜类型:非对称膜或离子交换膜推动力:浓度差渗析液溶剂或水原液渗出液ab 水渗析原理图渗析原理图水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜电 渗 析原理:是利用离子交换膜和直流电场的作用分离带电离子组分的一种电化学分离过程透过组分:小离子截留组分:同名离子、大离子传质机理:反离子经离子交换膜的迁移膜类型:离子交换膜推动力:电化学势 电-渗透产品(溶剂)-+ 极极浓电解质进料 电渗淅器是利用离子交换膜的选择透

13、过性进行工作，电渗淅器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作，电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜只充许阴离阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。子通过而阳离子被阻挡。 气 体 分 离原理:混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同,从而达到分离目的透过组分:气体、较小组分截留组分:较大组分传质机理:溶解-扩散、努森扩散膜类型:均质膜、非对称膜、复合膜推动力:压力差103104KPa 10进料渗透气渗余气气 体 分 离膜膜膜气体对均质膜的渗透机制渗 透

14、 汽 化原理：是以混合物中组分蒸气压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解与扩散速率不同的性质来实现混合物分离的过程 透过组分:易溶解或易挥发组分截留组分:不易溶解或较大、较难挥发组分传质机理:溶解-扩散膜类型:均质膜、非对称膜、复合膜推动力:分压差、浓度差进料溶质或溶剂溶质或溶剂渗透汽化原理示意图渗透汽化原理示意图液 膜原理：根据液膜对各物质的选择渗透能力不同而得以分离透过组分：在液膜中高溶解度组分截留组分：在液膜中难溶解组分传质机理：促进传递和溶解扩散传递推动力：浓度差、pH差外相内相膜相2.1 膜的制备及特性2.1.1膜的种类及其制备方法n对具有分离功能的膜可以按分离机理、分离过程的推动力、

15、膜的结构及形态等进行分类。n按膜的结构分类，可分为对称和非对称两大类.对称腋又可再分为均相致密膜、柱形孔膜、海绵孔膜等。非对称膜也可被细分为多7孔膜、叠合膜、复合膜等。分离膜分类按膜的材料分类 1、天然膜（生命膜） 天然物质改性或再生而制成的膜。 2、合成膜 无机膜； 高聚物膜。按膜的形态结构分类1、按形态分 均质膜（对称膜）； 非对称膜。2. 按膜 的作用机理分类a. 吸附性膜多孔膜 多孔石英玻璃，活性炭，硅胶和压缩粉末等；反应膜 膜内含有能与渗透过来的组分起反应的物质。b. 扩散性膜c. 离子交换膜d. 选择渗透膜e. 非选择性膜对称膜 膜截面的结构及形态相同，且孔径及孔径分布也基本一致，

16、对称膜可以是疏松的微孔膜或致密的均相膜。微孔膜能起分离作用的微孔通常在1nm-10m。 孔径分布孔隙率与膜的制各方法有关。非对称膜 非对称膜由致密的表皮层和疏松的多孔支撑层组成，膜两侧截面的结构及形态不相同且孔径与孔径分布也不一致。致密层厚度约为0.1-0.5m，文撑层厚度约为50-150m。非对称膜的表皮层厚度比均质膜薄得多。由于在以压差为推动力的膜过程中，传递阻力主要甚至完全来自致密层，也渗透速率反比于起选择渗透作用的膜厚，故非对称膜比均质膜的渗透速率大得多。离子交换膜(荷电膜) 离子交换膜的作用是膜对溶液中的离子具有选择性的透过。即离子选择性透过膜。 主要有普通的阴离子和阳离子交换膜外。

17、离子交换膜通常用于渗析、电渗析、膜电解过程，带有正或负电荷的微孔膜也可用于微滤、超滤、反渗透等膜过程。2.2.2 相转化制膜（相转化制膜（phase inversion） 目前几乎所有的聚合物超滤膜、反渗透膜和大目前几乎所有的聚合物超滤膜、反渗透膜和大部分微孔膜，无论其结沟、传质特性相差多大，却部分微孔膜，无论其结沟、传质特性相差多大，却大多是用相转化工艺制备的。用相转化制备聚合物大多是用相转化工艺制备的。用相转化制备聚合物膜的方法有：膜的方法有：双组分或多组分均相液的热凝胶；双组分或多组分均相液的热凝胶；从三组分聚合物溶液中蒸发挥发性溶剂；从三组分聚合物溶液中蒸发挥发性溶剂；均相聚合物溶液中

18、添加非溶剂。均相聚合物溶液中添加非溶剂。双组分或多组分均相溶液的热凝胶双组分或多组分均相溶液的热凝胶 双组分混合物的热凝胶作用获得微孔膜是最简单的相转化制膜方法之一。在这个体系中，液相或溶解相构成膜孔，固相或富聚合物相构成刚性的膜结构。从三组分聚合物溶液中蒸发挥发性溶剂从三组分聚合物溶液中蒸发挥发性溶剂 由于该点位于由于该点位于不互溶区段、不互溶区段、体系分成两相：体系分成两相：形成刚性膜结形成刚性膜结构的富聚合物构的富聚合物相和充满隙孔相和充满隙孔的液相。的液相。均相聚合物溶液中添加非溶剂均相聚合物溶液中添加非溶剂改变溶剂及非溶剂的扩散速率改变溶剂及非溶剂的扩散速率其它方法其它方法痕迹刻蚀法

19、痕迹刻蚀法界面法2.3 膜分离的基本原理膜分离的基本原理筛分机理筛分机理: 根据被分离物之间物理性质的不同，根据被分离物之间物理性质的不同，主要是质量、体积大小和几何形态的差异，用主要是质量、体积大小和几何形态的差异，用过筛的办法将其分离。过筛的办法将其分离。溶解溶解-扩散机理：根据混合物化学性质的不同。扩散机理：根据混合物化学性质的不同。主要分两个步骤，一是溶解，二是扩散。主要分两个步骤，一是溶解，二是扩散。2.3.1 微孔模型微孔模型 对于微孔过滤，膜的孔径往往比溶对于微孔过滤，膜的孔径往往比溶质分子的平均只有程大得多，在这种情况质分子的平均只有程大得多，在这种情况下，溶质在膜孔中以对流形

20、式传递，因此下，溶质在膜孔中以对流形式传递，因此可用孔流模型描述。当在以压力差为推动可用孔流模型描述。当在以压力差为推动力的传递情况下，溶剂的渗透通景主要取力的传递情况下，溶剂的渗透通景主要取决于膜的孔径、孔隙率、孔的曲折因子，决于膜的孔径、孔隙率、孔的曲折因子，以及溶液的粘度。以及溶液的粘度。 当溶液的粘度一定，渗透通当溶液的粘度一定，渗透通量正比于施加在胺两侧的压力差。孔量正比于施加在胺两侧的压力差。孔流模型的典型代表为流模型的典型代表为HagenPoiseuille方程和方程和KozenyCarman方程。若为直通的毛细孔结构，则通方程。若为直通的毛细孔结构，则通量可用量可用HagenP

21、oiseuille方程计算。方程计算。式中，式中， Jv总渗透通量；总渗透通量； P/ x 膜上、下游压力差和膜厚度膜上、下游压力差和膜厚度之比；之比； 微孔半径微孔半径r，孔隙串，孔隙串e e、孔的曲折因子、孔的曲折因子t t以以及溶液的粘度及溶液的粘度.Jv=er2P8tx2.3.2 表面力孔流动模型表面力孔流动模型(Surface Force Pore Flow Model) 1960年，年，Sourirajin提出了优先吸附毛提出了优先吸附毛细孔流动机理，为反渗透膜过程的开发奠定了基细孔流动机理，为反渗透膜过程的开发奠定了基础，建立了表面力一孔流动模型。础，建立了表面力一孔流动模型。

22、优先吸附毛细孔流动模型优先吸附毛细孔流动模型（Preferential-capillary flow model） Sourirajan于于1963年建立。认为用于水溶年建立。认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。在膜面上始终存在着一层纯水盐类有一定排斥性质。在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小。在压力下，就可层，其厚度可为几个水分子的大小。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔。可想象如果毛细孔直径连续地使纯水层流经毛细孔。可想象如果毛细孔直径恰等于恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透

23、过速度最倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐。程度的脱盐。Sourirajan根据这一想法，成功地选择根据这一想法，成功地选择了膜材料，合成了一定孔径的膜，以满足应用于不同了膜材料，合成了一定孔径的膜，以满足应用于不同系统的需要系统的需要 。膜表面对水的优先吸附膜表面对水的优先吸附压力压力主体溶主体溶液液界面界面H2OH2ONa+Cl-H2ONa+Cl-H2OH2ONa+Cl-H2ONa+Cl-H2OH2ONa+Cl-H2ONa+Cl-H2OH2ONa+Cl-H2ONa+Cl-H2OH2ON

24、a+Cl-H2ONa+Cl-H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O膜表面膜表面膜表面膜表面临界孔径临界孔径多孔膜多孔膜式中：式中： 溶质摩尔分数为溶质摩尔分数为xA时溶液的渗透压；时溶液的渗透压； A纯水渗透系数。纯水渗透系数。A是膜总孔隙度的量度，反映膜的纯水是膜总孔隙度的量度，反映膜的纯水透过特性，其大小与实验条件有关，如压力、温度等。透过特性，其大小与实验条件有关，如压力、温度等。可用下式计算可用下式计算:A=WMBSP溶质的透过量为：Js （Cm1xAm1-Cm2xAm2)DAM KJs 溶质通过膜的扩散通量；溶质通过膜的扩散通量； 膜的有效厚度；膜的有效厚度；DAm 溶质在

25、膜内的扩散系数。溶质在膜内的扩散系数。CxAKCmxAm式中式中 K溶质在膜和溶液中的平衡分配系数；溶质在膜和溶液中的平衡分配系数； Cm，C 分别为膜内外液相溶液浓度；分别为膜内外液相溶液浓度； xAm，xA分别为膜内、外液相中溶质的摩尔分别为膜内、外液相中溶质的摩尔分数。分数。Js （CR CP )KDAM 式中式中DAm K为溶质的透过系数。其与溶为溶质的透过系数。其与溶质性质、膜材料性质有关，与操作条件质性质、膜材料性质有关，与操作条件（如流速，压力等）无关（但与温度有（如流速，压力等）无关（但与温度有关）。关）。2.3.3 溶解扩散模型溶解扩散模型 Solution-Diffusio

26、n Model 60年代年代Lonsdale和和Riley等人提出了等人提出了溶解扩散模型。溶解扩散模型。Ficks 扩散定律：扩散定律：式中式中: Cw和和Dw分别是溶剂分别是溶剂(水水)在在膜中的浓度和扩散系数膜中的浓度和扩散系数.Jw=-DwdCwdx同样，我们可以得到：同样，我们可以得到：JwA ( P) K：溶质的渗透系数：溶质的渗透系数截流率：截流率：R=1-Cp/CR2.3.4 溶解溶解扩散不完全模型扩散不完全模型( Solution- Diffusion Imperfection Model)Nw=Jw+K3 pCw=A( p-)+K3 pCwNs=Js+K3 pCR=K(CR

27、-CP)+K3 pCR截留率和截断分子量截留率和截断分子量膜对溶质的截留能力以截留率膜对溶质的截留能力以截留率R（rejection）来）来表示，其定义为表示，其定义为 R1 CpCb Cp和和Cb分别表示透过液和截留液的浓度。分别表示透过液和截留液的浓度。如如R1，则，则Cp0，表示溶质全部被截留；，表示溶质全部被截留；如如R 0，则，则Cp Cb，表示溶质能自由透过膜。，表示溶质能自由透过膜。浓差极化一凝胶层模型浓差极化一凝胶层模型Concentration Polarization-gel layer model 当溶剂透过膜而溶质留在膜当溶剂透过膜而溶质留在膜上，因而使膜面上溶质浓度增

28、大，这种上，因而使膜面上溶质浓度增大，这种现象称为现象称为浓差极化浓差极化，对通量的影响很大。，对通量的影响很大。在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差降低，而使通量减小。压力差降低，而使通量减小。 在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，浓度在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成凝胶层，增大了阻力而使通量降低。高时会在膜面上形成凝胶层，增大了阻力而使通量降低。 要减少浓差极化，通常采用错流操作。因深层过滤中要减少浓差极化，通常采用错流操作。因深层过滤中液体主体流动方向和透过液一致，使截留溶质愈来愈多，

29、液体主体流动方向和透过液一致，使截留溶质愈来愈多，而在错流过滤中，两者互相垂直，截留溶质为切向流所而在错流过滤中，两者互相垂直，截留溶质为切向流所带走。带走。要减少浓差极化，通常采用错流操作要减少浓差极化，通常采用错流操作 根据流体力学，在膜面附近始终存根据流体力学，在膜面附近始终存在着一层边界层，当发生浓差极化后，浓在着一层边界层，当发生浓差极化后，浓度在边界层中的分布见上图。膜面上浓度度在边界层中的分布见上图。膜面上浓度 Cm大于主体浓度大于主体浓度Cb，溶质向主体反扩散。，溶质向主体反扩散。 在边界层中取一微元薄层，对此微在边界层中取一微元薄层，对此微元薄层作物料衡算。元薄层作物料衡算。

30、当达到稳态后，流出当达到稳态后，流出微元薄层的溶质通量保持不变，并等于透微元薄层的溶质通量保持不变，并等于透过膜的通量过膜的通量Ji=JvCp。 随主体流动进入微元薄层的速度随主体流动进入微元薄层的速度JvC应等于应等于透过膜的通量与反扩散速度之和，故有透过膜的通量与反扩散速度之和，故有dxdcDCJCJpvvpbpwvCCCCDJlnpbpwmvCCCCKJln利用边界条件，当利用边界条件，当x0时，时，C=Cw；当；当x=时，时，C=Cb，将，将上式积分，并得到上式积分，并得到 令KmD/为传质系数，上式成为如果溶质完全被截留，如果溶质完全被截留，Cp=o 上式就可以写成上式就可以写成bw

31、mvCCKJln)/exp(mvbwKJCC Cw/Cb称为极化模数（称为极化模数（ polarization modulus）或 在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列，或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值。列，或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值。bGmvCCKJln阻力模型（阻力模型（resistance model）和通常的过滤操作一样，把通量和通常的过滤操作一样，把通量Jv表示成推动力和阻力之比表示成推动力和阻力之比)(cmvRRpJmvRPJ)(cmvRRPJ在反渗透中，通常不形成滤饼，在反渗透中，通常不形成滤

32、饼，RC可以忽略可以忽略在超滤或微滤中，在超滤或微滤中，渗透压可以忽略不计渗透压可以忽略不计管状收缩效应(Tubular Pinch effect)的影响膜分离过程 (membrane separation)传递理论 人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通量要人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通量要比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大得多。原因就是比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大得多。原因就是管状收缩效应管状收缩效应 胶体溶液在管中流动时，颗粒有离开管壁向中心运动胶体溶液在管中流动时，颗粒有离开管壁向中心运动的趋向，称为管状收缩效应。由于这个现象，使膜面上沉的趋向，称为管状收缩效应。

33、由于这个现象，使膜面上沉积的颗粒具有向中心横向移动的速度，使膜面污染程度减积的颗粒具有向中心横向移动的速度，使膜面污染程度减轻，通量增大。轻，通量增大。32ruVL膜分离过程 (membrane separation)n实验结果和理论分析表明，横向移动速度实验结果和理论分析表明，横向移动速度VLVL和轴向速度和轴向速度u u的的平方成正比，而和管径平方成正比，而和管径r r的立方成反比：的立方成反比： n上式实际上表示上式实际上表示VLVL和和r r成反比，因此处理浑浊液体时，窄通成反比，因此处理浑浊液体时，窄通道超滤器是有吸引力的。道超滤器是有吸引力的。n传递理论常规过滤常规过滤错流过滤错流

34、过滤膜分离过程 (membrane separation)膜分离技术的特点膜技术的特点膜技术的特点高效高效能耗底能耗底室温室温按按 =CRT计算计算 一、高效性 膜分离通常是一个高效的分离过程。例如，在按物质颗粒大小分离的领域，以重力为基础的分离技术最小极限是微米，而膜分离可以做到将相对分子质量为几千甚至几百的物质进行分离，即颗粒大小为纳米。 又如在乙醇浓度超过90%的水溶液已经接近恒沸点，蒸馏很难分离，如用膜分离却简单易行。二、能耗低 膜分离过程的能耗通常比较低。大多数膜分离过程都不发生相的变化。对比之下，蒸发、蒸馏、萃取、吸收等分离过程，都伴随着从液相或吸附相至气相的变化，而相变的潜热是很

35、大的。三、室温 多数膜分离过程的工作温度在室温附近，特别适用于对热过敏物质的处理，所以膜分离在食品加工、医药工业、生物技术等领域有其独特的 适用性。如，在抗生素的生产中，一般用减压蒸馏法除水，很难完全避免设备的局部过热现象，在局部过热地区抗生素受热后被破坏，产生有毒物质，他是引起抗生素针剂副作用的重要原因。分离膜应具备的基本条件一、分离性 1.对被分离的混合物具有选择透过的能力 2.分离能力适度 分离能力要适度，并不是愈大愈好。它是根据被分离混合物的原始状态和分离后要达到的目标来合理确定的。因为膜的分离性能和透过性能是相互关联的，要求性能高，就必须牺牲一部分透量。这样就会提高操作费用。二、透过

36、性 能够对被分离的混合物进行有选择性的透过是分离膜的最基本条件。当然，我们希望需要除去的物质透过速度愈底愈好，希望通过的物质透过愈快愈好。二者速度 之比，代表着分离效率。 分离膜的透过性能是它的处理能力的主要标志。当然，我们希望在过到所需要的分离率之后，分离膜的透量愈大愈好。因为它将增加膜 的处理能力，使运行成本降低。三、物理、化学稳定 分离膜的物理化学稳定性主要是由膜材料的化学特性决定的。它包括耐热性、耐酸碱性、抗氧化性、抗微生物分解性、亲水疏水性、电能性、毒性、机械强度等。例如有些反渗透过程或气体分离过程是在几十到上百个大气压下进行的。 高聚物膜 长期处在高压下，会发生被压密现象，它会使膜

37、在长期使用中透量慢慢减少，终至达到不能使用的极限。又如，膜在使用过程中与混合物接触的表面会被各种各样的杂质所污染，它们遮住了膜的表面，阻碍了被分离混合物的直接接触，等于减少了膜的有效使用面积，还有一些污染物会破坏高聚物的结构。膜材料n高聚物膜材料 A、纤维素衍生物 纤维素是资源最为丰富的天然高分子。价格便宜，膜的分离和透过的性能良好。但是pH使用范围窄，容易被微生物分解以及在高压操作下时间长了容易被压密，引起透量下降。 B、聚砜类 它是一类具有高机械强度的工程塑料。它耐酸、耐碱。但是耐有机物的性能差。它可用作超滤和微滤膜材料，并且是多种商品复合膜的支撑层膜材料。 C、聚酰胺类 它是目前性能最好

38、的海水淡化反渗透复合膜，具有耐高温、耐溶剂、具有高强度。 D、聚酯类 它强度高，尺寸稳定性好，耐热，耐溶剂和化学品的性能优良。无机膜n无机膜材料主要有陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子炭膜。n无机膜的特点：n1、热稳定性好，适用于高温高压体系。使用温度一般都达400度，有时甚至高达800度。n2、化学稳定性好，能耐酸耐碱，pH值适用范围宽。n3、抗微生物能力强，与一般的微生物不发生生化及化学反应。n4、无机膜组件机械强度大。无机膜一般都是以载体膜的形式应用，而载体都是经过高压和焙烧制成的微孔陶瓷材料和多孔玻璃等，涂膜后再经高温焙烧，使用非常牢固，不易脱落和破裂。膜组件应具备的条件n对膜能够提供足够的机械支撑并可使高压原料液低压透过液严格分开